地铁信号系统通信控制技术研究

李晓芳

(哈尔滨地铁集团有限公司运营分公司，哈尔滨 150000)

轨道交通建设投入成本大，运营方式复杂，日常管理中需要运用先进的通信技术。地铁信号系统通信技术又称为CBTC，是一个连续的列车自动控制系统，该技术系统具有独立性，依靠感应环线、里程计、测速雷达等各种传感器获得列车相对位置信息和速度信息，将CBTC技术应用于轨道交通，可有效监控所有列车。CBTC系统的主要结构如图1所示。

图1 CBTC系统的组成和结构分布

CBTC技术的优点是系统更加简洁。控制中心设备是CBTC系统的核心，从功能上看，该系统许多功能已形成了闭环，无须进行重复分析。该系统十分灵活，无须额外增加设备，可支持双向运行，实现多条交叉路线的统一管控，可对复杂的运行情况进行同步处理，实现列车的节能运行。

1 CBTC技术通信子系统架构设计

1.1 地面骨干网设计

地面骨干网由很多个以太网构成，主要功能是给各个不同的子系统提供数据传输通道，确保数据传输安全。骨干网采用并行通信方式，当数据在传输过程中遇到两个传输通道时，也不会相互干扰，从而降低了风险。当使用SDH进行组网时，DCS系统都会设置节点连接。为保证骨干网安全，一般采用环状结构，使用二纤双向复用段设计，从而减少节点故障发生，确保骨干网和其他设备之间的高效通信。

1.2 有线接入网设计

有线接入网主要由路由器和以太网交换机构成，同时和CBTC系统的其他设备连接，主要功能是完成IP数据包的数据传输，一般是点到点或端到端的方式。可以为列车连续不断地提供数据通信，移动性较好，在CBTC系统中发挥了很大的作用。

1.3 无线通信网设计

为确保轨道交通的正常运行，保证数据传输的安全稳定，除了有线网络外，无线通信系统也是必不可少的。CBTC系统中的无线设备有很多，包括AP、无线通道设备、车载设备等。AP负责确保车载设备和无线通道设备之间的通信稳定，同时和有线接入网的另一端相连，有线网则和地面骨干网相通，形成一条完整的通信链路。为防止发生意外，如数据丢包等，AP一般采用的间隔为300 M左右，确保列车高速运行中数据的实时传输和系统的无缝切换。

由图2可知，为了避免无线单元在使用时出现故障，造成整体传输网崩溃，一般情况下，AP都是由两条无线单元协同工作，将风险降到最低。为减少故障的恢复时间，列车上都有两个以上的AP通信客户端。为减少无线传输中的损耗，天线应采用质量高、信号接收强的材料，一般安装在车体上方，且每辆车都有独立的车载通信IP。

图2 无线通信网设计

2 CBTC关键技术

2.1 无线快速切换技术

为了让列车更加高效地行驶，快速切换技术不可或缺。AP在越区切换时，所要花费的时间一般是500 ms～2 s。如果普通列车按照120 km/h的时速行驶，那么AP在越区切换时，会有65 m左右的行驶区间处于无断开系统的控制范围内，一旦出现这种情况，将会造成十分严重的交通安全事故，所以无线快速切换技术应运而生，该技术可以在区域切换时确保数据不丢失，保证列车安全运行。

如一段隧道长度为300 m，API1和API2可以覆盖列车的公共区域。当列车高速运行到API1区域时，可以和API1保持相关的数据连接，当运行到公共区域时，列车依然可以使用API1进行数据交互，同时API还要建立与API2数据的连接。当列车运行到API2时，能直接与其连接，并进行数据传输，不用等待API1断开。这样可以将切换时间缩短到50 ms之内，确保列车高速运行时的实时通信。

2.2 高可靠性技术

CBTC技术采用双网冗余设计，通信系统与车载网络设备等又有物理隔离，不同的传输系统、通电系统相互独立运行，可共同监控列车，保证列车的正常行驶。

网络内部冗余拓扑：通常情况下，骨干网由光纤将SDH设备连接。如果骨干网在实际使用中出现问题，SDH网络可以用最短的时间开启切换，避免因网络传输问题造成事故。车站处的交换机一般是两条千兆以上的链路，同时与第三条链路连接，进行数据交换。该设计将第三个交换机作为备用机，一旦使用中的交换机出现误差或故障，备用的单台交换机就可以随时投入使用，避免数据中断。轨道上的AP会主动连接主备控制器，主备控制器能够通过网络自行同步信息，即使中心设备主备控制器发生问题，网络间的通信还能够正常进行，不会导致全网列车瘫痪。CBTC系统中，工作人员根据相关标准来测量AP间距，以保证AP间距不会超出可覆盖区域的半径，使前后AP都可以将负责的区域覆盖上。有线通信设备和无线通信设备都在统一的平台上进行操控，使用该平台，可以对所有设备进行检修、排查、定位，在最短的时间内找到问题并进行修复，降低维修成本，确保轨道交通正常运行。

CBTC技术灵活方便、安全高效、成本低廉，可广泛应用于轨道交通，虽然还存在一定的不足，但今后将会越来越完善。